JP3719374B2

JP3719374B2 - 偏光素子の製造方法

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Publication number: JP3719374B2
Application number: JP2000214500A
Authority: JP
Inventors: 裕之山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: US6646802B2; JP2002031716A; US20020044354A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複屈折現象を利用したウォラストンプリズムおよびグラン・トムソンプリズムなどの偏光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、方解石（ＣａＣＯ₃）、水晶（ＳｉＯ₂）、ルチル（ＴｉＯ₂）およびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）などの非等方晶系の結晶体に偏光していない光を入射させると、２本の屈折光線が観測されることがよく知られている。これは複屈折現象と呼ばれ、この２本の屈折光線はそれぞれスネルの法側に従う常光線と、スネルの法側に従わない異常光線と呼ばれている。
【０００３】
ここで常光線の屈折率（常光屈折率）と異常光線の屈折率との差である複屈折率（異常光屈折率）が大きければ大きいほど、光軸に平行でない方向に入射した光は、より大きな複屈折を生じることになるので、常光線と異常光線との分離角はより大きくなる。
【０００４】
したがって、常光線と異常光線との分離角を一定とするなら、複屈折率の大きな結晶を用いるほど素子長を小型にすることができ、このような偏光素子を使用する装置、たとえば光記録装置の光読取り部および光アイソレータなどの小型化が実現される。特に近年の光記録装置の大容量化に伴い、その光源波長が短くなる傾向があり、たとえば波長４００ｎｍ近辺の青色半導体レーザが光源に用いられようとしている。
【０００５】
ところが従来用いられている結晶材料には、以下に述べるような問題点がある。代表的な複屈折性結晶材料の光学データを表１に示す。なおｎｏ、ｎｅおよびΔｎは、波長６３３ｎｍにおける常光線の屈折率、異常光線の屈折率および複屈折率をそれぞれ示す。
【０００６】
【表１】

【０００７】
たとえば水晶の場合、天然に産出するものだけでなく、水熱合成法によって結晶合成ができるという利点がある反面、その複屈折率は約０．０１であり、他の結晶と比較すると小さいので、素子長が大型化する欠点を有する。この水晶は、青色光だけでなく、紫外光の透過性も良好な材料である。
【０００８】
また方解石の場合、その複屈折率は約０．１６であり、この値は他の結晶と比較すると大きく、青色光の透過性も良好であるが、これは天然のみに産出し、安価で高品質なものは供給しにくいという欠点を有している。
【０００９】
またルチル（ＴｉＯ₂）単結晶の場合は、その複屈折率は約０．２９と非常に大きく、現在、光アイソレータ用の偏光子などに好適に用いられているが、ベルヌーイ法およびフローティングゾーン法などの方法でしか育成できない。良好な結晶性を有するものができ難いので、粒界もしくは内部歪の存在による歩留まりの低下、または大型の結晶が得難いという理由によって、結局素子が高価になるなどの問題点がある。ルチルは目視でも薄く黄色を呈していることが判るように、青色光の透過性は悪い。
【００１０】
またニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）単結晶の場合、近年チョクラルスキー法によって結晶径０．０７６〜０．１０２ｍの大型結晶が比較的容易に得られるので注目されている。偏光プリズムのように、たとえばＣ軸に対して一定の角度に切出し、研磨された結晶どうしを貼合わせる場合、ニオブ酸リチウムおよびルチルのように屈折率の大きな材料（屈折率２．０以上）では、これに近い屈折率の接着剤がない。用いる接着剤に対して透過波長に合わせて誘電体などの反射防止膜によって、貼合わせ部分での反射および透過光の損失を低減することが不可欠となり、そのための工程が煩雑となって結果的に高価となっている。
【００１１】
光学系の安定性向上のため、一般に複数のプリズムを貼合わせて一体化し、複合プリズムを構成することがある。通常のガラス材料と比較してこのように屈折率の大きい材料からなる光学部品を集積化する際にも同様の問題が生じている。さらにニオブ酸リチウムは青色光の透過性もよくない。
【００１２】
イットリウムバナデイト（ＹＶＯ₄）はチョクラルスキー法によって成長される正の一軸性結晶であり、その複屈折率は可視から近赤外域まで約０．２以上の大きな値を示す。機械的および物理的にも優れ、光偏光子として方解石およびルチルの代替品として用いられることが多い。屈折率の絶対値が大きいので、接着剤および複合する光学部品の材料選定の点で、ニオブ酸リチウムおよびルチルと同様、前述のような問題がある。青色光の透過性もよくない。
【００１３】
四ホウ酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）は、単結晶がチョクラルスキー法などによって合成され、屈折率は通常のガラスおよびプラスチックと同程度で、青色光の透過率も良好である。前述のイットリウムバナデイトおよびルチルに比べると複屈折率は小さい。結晶材料であるので、原価が容易には下げられないという課題が残る。
【００１４】
図６は、従来のくさび形の素子例を示す斜視図である。前述の結晶材料とは別に、液晶ポリマを利用した方法が、特開平６−５９１２５号公報に開示されている。これは硬化液晶モノマ組成物から形成される一軸配向ポリマ材料からなるくさび形の素子例であるビームスプリッタ１０５である。その製造方法について以下に説明する。
【００１５】
まず２枚の長方形のガラスプレートをナイロンの配向層で被覆して、各ガラスプレートの一端に平行になるように選択された一方向に、反−軟毛布でこする。そして２枚のガラスプレートのこすり方向が平行になるような向きで、ガラスプレート間にくさび形の空間を残して互いに向かい合わせて配置し、このくさび形の空間に液晶モノマを充填する。最後にＵＶ照射を施して固体くさび形素子を形成し、その後ガラスプレートを除去することによって、図６に示した偏光感度ビームスプリッタ１０５が得られる。充填するモノマとしては、感光性開始剤を添加された液晶ジアクリレート化合物などが適している。
【００１６】
ナイロン配向層の代わりに、たとえばポリイミドもしくはポリエチレンから成るこすられた層、またはある角度にスパッタされた酸化ケイ素層なども利用することができ、必要に応じて磁場配向も可能である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように結晶材料を用いる方法では、結晶材料が高価であるとともに、青色光の透過性が悪く、屈折率の絶対値が２．０を超えて他の材料との整合がとれず、複屈折率が小さいなどの問題がある。
【００１８】
また前述のように液晶ポリマーを利用した方法では、ガラスプレートの脱着作業があるので製造工程が増え、原価がかかるという問題がある。また一般に配向層の効果が反映されるのは配向層から数μｍまでの厚さの領域であり、配向層からの距離に応じて配向度合の分布を示すので、数十から数百μｍの厚手で均質な複屈折体を製造することは困難である。
【００１９】
本発明の目的は、簡便かつ安価な偏光素子の製造方法を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透光性および複屈折性を有する有機材料を延伸加工することによって、高分子フィルムから成るプリズムシートを形成するシート形成工程と、形成したプリズムシートを切断し、一定形状の光学ブロックを切出すシート切断工程とを含むことを特徴とする偏光素子の製造方法である。
【００２７】
本発明に従えば、延伸加工した高分子フィルムを切出した光学ブロックを偏光素子とすることによって、簡便な工程で安価に偏光素子を製造することができる。
【００２８】
また本発明は、前記シート形成工程において、複数枚のプリズムシートを形成し、形成した複数枚のプリズムシートを、接する２枚のシートの光学軸が互いに異なるように積層することによって、積層構造のプリズムシートを形成し、前記シート切断工程において、一定形状の光学ブロックの積層体を切出すことを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、複数枚のプリズムシートを積層した積層体から複数の偏光素子を切出すことによって、光学ブロック間の光学軸の調整を偏光素子ごとに要しない簡便な工程で、大量かつ安価に偏光素子を製造することができる。
また本発明は、前記高分子フィルムが、ポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする。
本発明に従えば、青色光の透過性も良好なポリエチレンテレフタレートを用いることによって、青色半導体レーザが光源として使用される装置にも適用可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態の偏光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の一形態による偏光素子１を示す斜視図である。偏光素子１は、第１の三角柱状光学ブロック１１と第２の三角柱状光学ブロック１２とで構成されている。これら２つの三角柱状光学ブロックは、光学異方性（複屈折性）を有する透明材料で形成され、互いの光学軸が直交するように配置されている。具体的には、第１の三角柱状光学ブロック１１および第２の三角柱状光学ブロック１２は、同じ延伸ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムで形成され、第１の三角柱状光学ブロック１１の延伸方向はｘ方向であり、第２の三角柱光学ブロック１２の延伸方向はｙ方向である。また第１の三角柱状光学ブロック１１の光学軸はｘ方向と一致し、第２の三角柱状光学ブロック１２の光学軸はｙ方向と一致する。
【００３２】
延伸された高分子材料は、一般に、その延伸方向の屈折率が大きく、その延伸された面内にあって、延伸方向と直交する方向の屈折率が小さくなることが知られている。ＰＥＴの場合、延伸条件によって違いはあるものの、波長７８０ｎｍにおける屈折率の値は、延伸方向で約１．７、直交方向で約１．５である。
【００３３】
たとえばｘ方向に振動成分を有する偏光が、入射光Ｌのように図１中上方向（すなわち図１のｚ方向）から偏光素子１へ入射すると、第１の三角柱状光学ブロック１１の屈折率１．７の領域から、第２の三角柱状光学ブロック１２の屈折率１．５の領域に通過することになり、入射した偏光は、偏光Ｌｐのように境界面Ｓで図１の紙面左方向に屈折して偏光素子１から出射する。
【００３４】
同様にｙ方向に振動成分を有する偏光が、入射光Ｌのように図１中上方向から偏光素子１へ入射すると、第１の三角柱状光学ブロック１１の屈折率１．５の領域から第２の三角柱状光学ブロック１２の屈折率１．７の領域に通過することになり、入射した偏光は、偏光Ｌｓのように境界面Ｓで図１の紙面右方向へ屈折して偏光素子１から出射する。
【００３５】
このように、入射光の振動成分によって屈折方向が異なるので、偏光素子１は境界面Ｓで入射光Ｌを、ｘ方向に振動成分を有する偏光Ｌｐと、ｙ方向に振動成分を有する偏光Ｌｓの２つに分離することができる。
【００３６】
前記光学異方性を示す材料として、延伸形成された高分子フィルムを用いるのは、延伸の程度によって複屈折率を任意に調整することが可能で、結晶材料のように光学特性が限定されず、偏光素子の作製に適するからである。また延伸形成された高分子フィルムを用いれば、形状および光学特性の一定した均質な製品を大量に形成できるので、非常に安価である。
【００３７】
図２は、ＰＥＴの光透過性を示すグラフである。前述の延伸形成された高分子フィルムのなかでもＰＥＴフィルムは、図２のグラフに示すような優れた光透過性を示すので、青色光を光源とする光記録装置などにも応用できる。
【００３８】
図３は、図１の偏光素子１の製造方法を説明するための工程を示す側面図である。（ａ）に示す有機光学材料２０を延伸し、（ｂ）に示すような有機光学フィルム２１を形成する。（ｂ）において、有機光学フィルム２１の延伸方向は、該有機光学フィルム２１の長手方向（図３の左右方向、したがって図１の左右のｘ方向）である。こうして得られた有機光学フィルム２１を切削などによって加工し、（ｃ）に示すような形状にして、第１のプリズムシート３１とする。第１のプリズムシート３１を成型によって加工する場合、フィルムに延伸するローラにプリズムの反転形状を形成しておけば、（ａ）に示す有機光学材料２から直接（ｃ）に示す第１のプリズムシート３１を得ることができる。
【００３９】
そして第１のプリズムシート３１と同様にして、延伸方向の異なる第２のプリズムシート３２を形成し、（ｄ）に示すように第１のプリズムシート３１と第２のプリズムシート３２とを、互いの延伸方向が異なるように貼合わせる。第２のプリズムシート３２の延伸方向は紙面に垂直方向としている。２枚のプリズムシートの貼合わせは、接着剤による接着固定でもよいし、融着などでもよい。最後に貼合わされた２枚のプリズムシートを、（ｅ）に示すように切断して、複数の偏光素子１が作製される。
【００４０】
このように、同じ材料の延伸ＰＥＴフィルムから成る２枚のプリズムシートを、延伸方向が直交するように貼合わせた後、貼合わせられたプリズムシートを切断することによって、別個の三角柱状光学ブロックを個々に位置合わせする必要がなくなり、製造が容易になる。
【００４１】
図４は、本発明の実施の他の形態による偏光素子４０を示す斜視図である。偏光素子４０は、第１の三角柱状光学ブロック４１と第２の三角柱状光学ブロック４２と第３の三角柱状光学ブロック４３とで構成されている。第１の三角柱状光学ブロック４１および第２の三角柱状光学ブロック４２は、図１に示した第１の三角柱状光学ブロック１１および第２の三角柱状光学ブロック１２とそれぞれ同様である。すなわち同様に複屈折性を有する透明材料である延伸ＰＥＴフィルムで形成され、互いの光学軸が直交するように配置されている。また第３の三角柱状光学ブロック４３も延伸ＰＥＴフィルムで形成され、第２の三角柱状光学ブロック４２と互いの光学軸が直交するように配置されている。したがって第３の三角柱状光学ブロック４３の光学軸は、第１の三角柱状光学ブロック４１の光学軸と平行に配置されている。
【００４２】
以上のような構成によって、図１の第１の三角柱状光学ブロック１１と第２の三角柱状光学ブロック１２との界面Ｓで分離された偏光Ｌｐおよび偏光Ｌｓと全く同様にして、第１の三角柱状光学ブロック４１と第２の三角柱状光学ブロック４２との界面Ｔで２つの偏光に分離される。界面Ｔで図１の偏光Ｌｐのように図４の紙面左方向に屈折された偏光は、第２の三角柱状光学ブロック４２と第３の三角柱状光学ブロック４３との界面Ｕで、さらに図４の紙面左方向に屈折されて、偏光Ｌｐ２として偏光素子４０から出射される。同様に界面Ｔで図１の偏光Ｌｓのように図４の紙面右方向に分離された偏光は、界面Ｕで、さらに図４の紙面右方向に屈折されて、偏光Ｌｓ２として偏光素子４０から出射される。
【００４３】
このように、偏光素子４０は、２つの境界面ＳおよびＴによって、図１のように１つの境界面Ｓのみを有する偏光素子１よりも、各偏光の分離角をより大きくとることができる。これによって、図４の偏光素子４０は、図１の偏光素子１よりも、より散乱光などの影響が少なく、消光比が向上する。また４つ以上の三角柱状光学ブロックで偏光素子を構成してもよい。三角柱状光学ブロックの数を多くする程、各偏光の分離角をより大きくとることができるので、散乱光などの影響がより少なく、消光比をより向上することができる。
【００４４】
また図４の偏光素子４０の製造方法を図３を参照して説明する。
まず図１の偏光素子１と全く同様にして、図３の（ａ）〜（ｄ）の工程によって、第１の三角柱状光学ブロックとなる第１のプリズムシート３１と、第２の三角柱状光学ブロックとなる第２のプリズムシート３２とを、互いの延伸方向が直交するように貼合わせる。次いで第１のプリズムシート３１と全く同様にして、延伸方向も同じ第３のプリズムシートを形成し、第２のプリズムシート３２の第１のプリズムシート３１側と反対側に、第２のプリズムシート３２と互いの延伸方向が直交するように貼合わせる。最後に貼あわされた３枚のプリズムシートを、（ｅ）のように切断して、複数の偏光素子４０が作製される。
【００４５】
このように、同じ材料の延伸ＰＥＴフィルムから成る３枚のプリズムシートを、接する２枚のシートの延伸方向がそれぞれ直交するように貼合わせた後、貼合わせられたプリズムシートを切断することによって、別個の三角柱状光学ブロックを個々に位置合わせする必要がなくなり、製造がより容易になる。より多くの三角柱状光学ブロックで偏光素子を構成する場合程、より容易に製造できることになる。
【００４６】
図５は、本発明の実施のさらに他の形態による偏光素子５０を示す斜視図である。偏光素子５０は、１つの三角柱状光学ブロックのみで構成されている。該三角柱状光学ブロックは、図１に示した第１の三角柱状光学ブロック１１と全く同様に、複屈折性を有する透明材料である延伸ＰＥＴフィルムで形成され、その延伸方向はｘ方向である。
【００４７】
前述のように延伸ＰＥＴフィルムの場合、波長７８０ｎｍにおける屈折率の値は、延伸方向で約１．７、延伸方向の直交方向で約１．５である。
【００４８】
たとえばｘ方向に振動成分を有する偏光が、入射光Ｌのように図５中上方向から偏光素子５０へ入射すると、三角柱状光学ブロックの屈折率１．７の領域から、空気の屈折率１．０の領域に出射されるので、入射した偏光は、偏光Ｌｐ３のように境界面Ｖで図５の紙面左方向に屈折して偏光素子５０から出射する。
【００４９】
同様にｙ方向に振動成分を有する偏光が、入射光Ｌのように図５中上方向から偏光素子５０へ入射すると、三角柱状光学ブロックの屈折率１．５の領域から、空気の屈折率１．０の領域に出射されるので、入射した偏光は、偏光Ｌｓ３のように境界面Ｖで図５の紙面中央寄りの左方向へ屈折して偏光素子５０から出射する。このとき、Ｌｓ３の屈折角はＬｐ３の屈折角よりも小さい。
【００５０】
このように図５に示したような１つの三角柱状光学ブロックのみから成る偏光素子５０においても、該偏光素子５０と空気との界面Ｖで、入射した偏光間の屈折角差を利用して、入射光を２つの偏光に分離することが可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、透光性および複屈折性を有する有機材料を延伸形成したＰＥＴなどの高分子フィルムを用いた簡便かつ安価な偏光素子の製造方法によって、複屈折率が大きく青色光の透過性も良好な偏光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による偏光素子１を示す斜視図である。
【図２】ＰＥＴの光透過性を示すグラフである。
【図３】図１の偏光素子１の製造方法を説明するための工程を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の他の形態による偏光素子４０を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施のさらに他の形態による偏光素子５０を示す斜視図である。
【図６】従来のくさび形の素子例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１偏光素子
１１第１の三角柱状光学ブロック
１２第２の三角柱状光学ブロック
２０有機光学材料
２１有機光学フィルム
３１第１のプリズムシート
３２第２のプリズムシート

Claims

透光性および複屈折性を有する有機材料を延伸加工することによって、高分子フィルムから成るプリズムシートを形成するシート形成工程と、
形成したプリズムシートを切断し、一定形状の光学ブロックを切出すシート切断工程とを含むことを特徴とする偏光素子の製造方法。
前記シート形成工程において、複数枚のプリズムシートを形成し、形成した複数枚のプリズムシートを、接する２枚のシートの光学軸が互いに異なるように積層することによって、積層構造のプリズムシートを形成し、
前記シート切断工程において、一定形状の光学ブロックの積層体を切出すことを特徴とする請求項１記載の偏光素子の製造方法。
前記高分子フィルムが、ポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項１記載の偏光素子の製造方法。